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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lochvorrichtung und ein Lochverfahren, welche einen säulenförmigen Stempel in einer Axialrichtung antreiben, um ein Loch in ein Werkstück zu lochen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In der Vergangenheit bestand bei einer Lochvorrichtung, welche durch Stanzen unter Verwendung eines Stempels ein Loch locht, das Problem, dass je größer das Verhältnis zwischen einer Länge L und einem Durchmesser D des Lochs (nachfolgend als „L/D“ bezeichnet), desto größer wurde die Wahrscheinlichkeit, dass der Stempel knickt. Daher wurde eine Lochvorrichtung betrachtet, welche ohne Verwendung eines Stempels, durch eine Funkenerodierbearbeitung oder Laserschneiden, ein Loch lochen kann.
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Diesbezüglich besteht, wenn eine Funkenerodierbearbeitung verwendet wird, um ein Loch zu lochen, das Problem, dass die Bearbeitungszeit länger ist als bei dem Stanzen, und die Produktivität dadurch sinkt. Ferner besteht, wenn Laserschneiden zum Lochen eines Lochs verwendet wird, auch wenn die Abnahme der Produktivität vermieden werden kann, das Problem, dass die Maßhaltigkeit des Lochs, die Oberflächeneigenschaften und andere Aspekte der Arbeitsqualität im Vergleich zum Stanzen oder zur Funkenerodierbearbeitung schlechter sind. Um sowohl eine gute Produktivität als auch ausreichende Arbeitsqualität zur erreichen, wird daher beispielsweise die in der japanischen Patentveröffentlichung (A) Nr. 2009-050901 beschriebene Lochvorrichtung vorgeschlagen.
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Die Lochvorrichtung der japanischen Patentveröffentlichung (A) 2009-050901 ist mit einem Laserkopf, einem Stempel und einer Matrize vorgesehen, und locht durch gemeinsames Verwenden von Laserschneiden und Stanzen ein Loch. Das heißt, gemäß der Lochvorrichtung der japanischen Patentveröffentlichung (A) 2009-050901 wird Laserschneiden verwendet, um ein grobes Loch in ein Werkstück zu lochen, dann wird ein Stempel, der im Durchmesser größer als das grobe Loch ist, verwendet, um das Werkstück zu stanzen, um die peripheren Kanten des groben Loches wegzuschneiden. Aufgrund dessen versucht die Lochvorrichtung der japanischen Patentveröffentlichung (A) 2009-050901 sowohl gute Produktivität als auch Arbeitsqualität zu erreichen, während die Wahrscheinlichkeit, dass der Stempel knickt, reduziert wird.
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Jedoch war, gemäß der Lochvorrichtung der
japanischen Patentveröffentlichung (A) Nr. 2009-050901 , eine axiale Ausrichtung des durch den Laser geformten groben Loches und des Stanzens durch den Stempel kompliziert, was ein neues Problem darstellt.
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Die
DE 102 48 207 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Scherschneiden von Werkstücken mit einem Scherschneidwerkzeug, wobei eine Laserstrahlung auf den zu bearbeitenden Ort des Werkstückes gerichtet ist. Das Scherschneiden des Werkstückes erfolgt jeweils an einem örtlich begrenzt erwärmten Scherschneidort. Die Zufuhr von Wärmeenergie in Form von Laserstrahlung ist auf die Dauer der Hubbewegung des Scherschneidwerkzeuges beschränkt, wodurch keine Verlängerung der Gesamtprozessdauer einhergeht. Die Erwärmung des Schnerschneidortes ist maximal auf die Grenzen des Scherschneidbereichs beschränkt und die Größe der Fläche des mit der Laserstrahlung bestrahlten Scherschneidortes ist mittels einer Fokussieroptik einstellbar.
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Ferner beschreibt die
DE 10 2007 008 653 A1 ein Umformverfahren, insbesondere ein Scherschneidverfahren, mittels einer Stanz-Nibbel-Präge-Werkzeugmaschine, wobei ein Umformwerkzeug, vorzugsweise ein Loch-, Präge- oder Schneidstempel, auf ein Werkstück, insbesondere eine Blechtafel, aufgesetzt und das Werkstück im Bereich einer Umformzone, vorzugsweise entlang einer Schnitt- oder Konturlinie, durch ein - oder mehrhubige Prägung, durch Trenn- oder Stanzschnitte umgeformt wird.
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Hierbei wird vor der Umformung die Umformzone einer lokal auf die Schnitt- oder Konturlinie begrenzten Vorwärmung durch optische oder elektromagnetische Bestrahlung unterzogen, wobei die Dauer der Bestrahlung im Bereich von 0.5 bis 10 Sekunden und die Oberflächentemperatur des Werkstücks zwischen 100 °C und 600 °C gehalten wird.
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Die
DE 24 19 382 A1 offenbart ein Verfahren zum Heraustrennen von Teilen aus kaltgewalztem Bandstahl, wobei der durchlaufende Bandstahl mittels eines steuerbaren Energiestrahles an vorgegebenen Stellen unterhalb des Schmelzpunktes wärmebehandelt wird und die erzeugten Gefügeabgrenzungen zur Steuerung des anschließenden Trennvorgangs herangezogen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um sich mit den vorstehenden Problemen zu befassen, und besitzt die Aufgabe, eine Lochvorrichtung und ein Lochverfahren vorzusehen, welche in der Lage sind, sowohl gute Produktivität als auch Arbeitsqualität zu erreichen, wobei es möglich ist, ein Loch mit einem großen Verhältnis L/D zu lochen, während die Wahrscheinlichkeit, dass der Stempel knickt, reduziert wird.
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Die vorstehende dargelegte Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine Lochvorrichtung vor, welche zum Antreiben eines säulenförmigen Stempels in einer Axialrichtung, um ein Loch in ein Werkstück zu lochen, angepasst ist. Die Lochvorrichtung weist eine lokale Heizeinrichtung zum lokalen Erhitzen eines Teils eines Werkstücks in einen Temperaturbereich kleiner als der Schmelzpunkt des Werkstücks, und eine Stempel-Antriebseinrichtung zum Antreiben des Stempels in einer Axialrichtung hin zu dem Teil des Werkstücks, welcher durch die lokale Heizeinrichtung erhitzt wurde, auf.
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Aufgrund dessen ist es möglich, das Werkstück lokal zu erweichen, und dadurch die Bildung eines Teil mit einer geringen Deformations-Resistenz lokal zu erreichen, sowie den Teil mit der geringen Deformations-Resistenz durch den Stempel zu stanzen, so dass es möglich ist, die Wahrscheinlichkeit, dass der Stempel knickt, zu reduzieren und auf einfache Weise ein Loch mit einem großen Verhältnis L/D zu lochen. Ferner wird der Vorgang des Lochens eines Lochs zum Stanzen unter Verwendung eines Stempels zuzüglich lokaler Erhitzung des Werkstücks, so dass die Bearbeitungszeit nicht vergleichsweise langwierig ist und somit die Produktivität nicht abnimmt. Darüber hinaus nimmt, da Stanzen verwendet wird, um das Loch zu lochen, die Arbeitsqualität ebenso nicht ab. Aufgrund des Vorstehenden ist es möglich, eine Lochvorrichtung vorzusehen, die das Erreichen von sowohl guter Produktivität als auch Arbeitsqualität erreicht, und welche ein Loch mit einem großen Verhältnis L/D lochen kann, so dass die Wahrscheinlichkeit des Stempel-Knickens reduziert ist.
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Ferner wird das Werkstück nicht als Ganzes erhitzt und erweicht, sondern wird lokal erhitzt und erweicht, so dass es möglich ist, den Deformationsbereich, welcher mit dem Stanzen bei der Umgebung eines Lochs auftritt, zu reduzieren, sowie die Energie, welche für das Erhitzen benötigt wird, zu reduzieren.
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Darüber hinaus wird, wenn Stanzen zum Lochen eines Lochs verwendet wird, gewöhnlich eine Matrize mit einem dem zu lochenden Loch in dem Werkstück entsprechenden Loch benötigt (nachfolgend wird das Matrizen-Seitenloch als ein „Matrizenloch“ bezeichnet), so ist es notwendig, die Position des Werkstücks, an der das Loch gelocht werden soll, mit dem Matrizenloch auszurichten, und dann den Stempel zu verwenden, um das Werkstück zu stanzen. Das heißt, es ist notwendig das Werkstück durch die Matrizen-Schnittkanten, welche durch die Peripherkanten des Matrizenlochs ausgebildet sind, gegen die Druckkraft durch den Stempel zu halten, so dass die Matrizen-Schnittkanten Risse in dem Werkstück hervorrufen und das dem Loch entsprechende Material entfernen.
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Im Gegensatz hierzu ist es gemäß der Lochvorrichtung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung möglich, das Werkstück lokal zu erhitzen und zu erweichen, und dadurch die Differenz der Deformations-Resistenz, basierend auf der Temperaturdifferenz, zu nutzen, um das dem Loch entsprechende Material zu entfernen. Aus diesem Grund ist es möglich, ohne Verwendung einer Matrize ein Loch in ein Werkstück zu lochen, so dass , wenn ein Loch in ein Werkstück von zur Anordnung einer Matrize schwieriger Gestalt gelocht werden soll, das Loch ohne umständliches Positionieren einer Matrize gelocht werden kann.
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Bei der Lochvorrichtung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung nimmt der Stempel eine Arbeitslast als eine Reaktionskraft von dem Werkstück während dem Stanzen des Werkstücks auf. Ferner ist die Arbeitslast aufgrund der Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen der lokalen Heizeinrichtung kleiner als die Knicklast des Stempels. Aufgrund dessen ist es möglich, ein Knicken des Stempels während dem Stanzen zuverlässig zu verhindern.
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Bei der Lochvorrichtung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann die lokale Heizeinrichtung ein Lasergenerator sein, und der Teil des Werkstücks kann durch einen Laserstrahl erhitzt werden, welcher durch den Lasergenerator erzeugt wird. Aufgrund dessen ist es möglich, den Heizbereich, die Heiztemperatur, und andere Einstellungen an dem Werkstück frei zu verändern.
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Bei der Lochvorrichtung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann der Teil des Werkstücks eine Laserfläche, welche der Laserstrahl direkt trifft, und eine Stanzfläche, welche das vordere Ende des Stempels trifft, besitzen. Der Stempel locht das Loch durch Stanzen des Werkstücks von der Stanzfläche in Richtung der Laserfläche und nimmt eine Arbeitslast als eine Reaktionskraft von dem Werkstück während dem Stanzen des Werkstücks auf. Ferner kann der Lasergenerator die Heizbedingungen durch den Laserstrahl derart einstellen, dass die Temperatur der Laserfläche kleiner wird als der Schmelzpunkt des Werkstücks, und dass die Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen bewirkt, dass die Arbeitslast kleiner wird als die Knicklast des Stempels. Aufgrund dessen wird es möglich, den Stempel zuverlässig daran zu hindern zu knicken, während das Werkstück davor bewahrt wird zu schmelzen, und die Lochdurchmesserpräzision und die Oberflächeneigenschaften davor bewahrt werden abzunehmen.
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Die Lochvorrichtung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Steuereinrichtung zum Steuern des Lasergenerators und der Stempel-Antriebseinrichtung aufweisen. Die Steuereinrichtung kann den Lasergenerator und die Stempel-Antriebseinrichtung derart steuern, dass das Stanzen des Werkstücks durch den Stempel beginnt, nachdem der Lasergenerator das Erzeugen des Laserstrahls beendet und ein Laserstrahl nicht länger die Laserfläche trifft. Aufgrund dessen ist es möglich, den Laserstrahl daran zu hindern den Stempel zu beschädigen, und es ist möglich, das Stanzen durch den Stempel zu beenden, bevor eine Abkühlung nach dem Beenden der Lasererwärmung bewirkt, dass die Deformations-Resistenz ansteigt.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Lochverfahren durch Antreiben eines säulenförmigen Stempels in einer Axialrichtung, um ein Loch in ein Werkstück zu lochen, vor. Das Lochverfahren umfasst einen lokalen Heizschritt zum lokalen Erhitzen eines Teils eines Werkstücks in einen Temperaturbereich niedriger als ein Schmelzpunkt des Werkstücks, und einen Stanzschritt zum Antreiben des Stempels in einer Axialrichtung hin zu dem Teil des Werkstücks, welcher durch den lokalen Heizschritt erhitzt wurde, und den Stempel verwendet, um das Werkstück zu stanzen. Aufgrund dessen ist es möglich, ähnliche Effekte zu dem Fall des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
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Bei dem Lochverfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung nimmt der Stempel eine Arbeitslast als eine Reaktionskraft von dem Werkstück während dem Stanzen des Werkstücks auf. Ferner ist die Arbeitslast aufgrund der Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen durch den lokalen Heizschritt kleiner als die Knicklast des Stempels. Aufgrund dessen ist es möglich, ähnliche Effekte zu dem Fall des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
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Bei dem Lochverfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann der lokale Heizschritt unter Verwendung eines Lasergenerators durchgeführt werden, und der Teil des Werkstücks kann durch einen Laserstrahl erhitzt werden, welchen der Lasergenerator abgibt. Aufgrund dessen ist es möglich, ähnliche Effekte zu dem Fall des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
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Bei dem Lochverfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung kann ein Teil des Werkstücks eine Laserfläche, welche der Laserstrahl direkt trifft, und eine Stanzfläche, welche das vordere Ende des Stempels trifft, besitzen. Der Stempel locht das Loch durch Stanzen des Werkstücks von der Stanzfläche in Richtung der Laserfläche, und nimmt eine Arbeitslast als eine Reaktionskraft von dem Werkstück während dem Stanzen des Werkstücks. Ferner kann der Lasergenerator die Heizbedingungen durch den Laserstrahl derart einstellen, dass die Temperatur der Laserfläche kleiner wird als der Schmelzpunkt des Werkstücks, und dass die Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen bewirkt, dass die Arbeitslast kleiner wird als die Knicklast des Stempels. Aufgrund dessen ist es möglich, ähnliche Effekte zu dem Fall des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
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Bei dem Lochverfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, das Stanzen des Werkstücks durch den Stempel in dem Stanzschritt zu beginnen, nachdem der Lasergenerator das Erzeugen des Laserstrahls beendet und ein Laserstrahl nicht länger die Laserfläche trifft. Aufgrund dessen ist es möglich, ähnliche Effekte zu dem Fall des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung kann aus der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie nachfolgend dargelegt, zusammen mit den beigefügten Abbildungen umfassender verstanden werden.
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Figurenliste
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- 1A ist eine im Schnitt gehaltene Ansicht, welche die Gesamtkonfiguration einer Lochvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 1B ist eine im Schnitt gehaltene Ansicht, welche die Konfiguration von Hauptteilen der Lochvorrichtung zeigt.
- 2 ist ein Zeitdiagramm, welches Temperaturentwicklungen an einer Laserfläche und einer Stanzfläche mit dem zugehörigen Laser-Heizbeginn und -Heizende zeigt.
- 3A ist eine erklärende Ansicht, welche den Anordnungs-Zustand eines Werkstücks auf einem Werkstück-Ablagetisch in der Lochvorrichtung zeigt.
- 3B ist eine erklärende Ansicht, welche den Verwendungs-Zustand eines Werkstückhalters und einer Stempelführung, um ein Werkstück niederzuhalten, und den Verwendungs-Zustand eines Laserstrahls, um das Werkstück zu erhitzen, in der Lochvorrichtung zeigt.
- 3C ist eine erklärende Ansicht, welche den Verwendungs-Zustand eines Stempels, um ein Werkstück zu stanzen, zeigt.
- 3D ist eine erklärende Ansicht, welche den Hochzieh-Zustand eines Stempels, zusammen mit dem Werkstückhalter und der Stempelführung, zeigt.
- 4 ist eine im Schnitt gehaltenen Ansicht, welche die Konfiguration von Hauptteilen einer Lochvorrichtung gemäß einer Modifikation einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Lochvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung treibt einen säulenförmigen Stempel in der Axialrichtung an, um ein Loch in ein Werkstück zu lochen. Ferner weist die Lochvorrichtung eine lokale Heizeinrichtung zum lokalen Erhitzen eines Teils eines Werkstücks in einen Temperaturbereich niedriger als ein Schmelzpunkt des Werkstücks, und eine Stempel-Antriebseinrichtung zum Antreiben des Stempels in einer Axialrichtung hin zu dem Teil des Werkstücks, welcher durch die lokale Heizeinrichtung erhitzt wurde, auf.
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Der Stempel nimmt eine Arbeitslast als eine Reaktionskraft von dem Werkstück während dem Stanzen des Werkstücks. Ferner ist die Arbeitslast aufgrund der Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen durch die lokale Heizeinrichtung kleiner als die Knicklast des Stempels. Ferner ist die lokale Heizeinrichtung ein Lasergenerator, und ein Teil des Werkstücks wird durch einen Laserstrahl erhitzt, welcher durch den Lasergenerator erzeugt wird.
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Ein Teil des Werkstücks besitzt eine Laserfläche, welche der Laserstrahl direkt trifft, und eine Stanzfläche, welche das vordere Ende des Stempels trifft. Der Stempel locht das Loch durch Stanzen des Werkstücks von der Stanzfläche in Richtung der Laserfläche. Ferner stellt der Lasergenerator die Heizbedingungen durch den Laserstrahl derart ein, dass die Temperatur der Laserfläche kleiner wird als der Schmelzpunkt des Werkstücks, und dass die Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen bewirkt, dass die Arbeitslast kleiner wird als die Knicklast des Stempels.
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Darüber hinaus weist die Lochvorrichtung ferner eine Steuereinrichtung zum Steuern des Lasergenerators und der Stempel-Antriebseinrichtung auf. Die Steuereinrichtung steuert den Lasergenerator und die Stempel-Antriebseinrichtung derart, dass das Stanzen des Werkstücks durch den Stempel beginnt, nachdem der Lasergenerator das Erzeugen des Laserstrahls beendet, und ein Laserstrahl nicht länger die Laserfläche trifft.
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Die Konfiguration der Lochvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform wird basierend auf Fig. 1A und 1B erklärt. Die Lochvorrichtung 1 treibt einen säulenförmigen Stempel 2 in einer Axialrichtung an, um ein Loch 4 in das Werkstück 3 zu lochen. Beispielsweise kann diese ein Loch 4 lochen, ohne dass der Stempel 2 knickt, selbst in einem Fall, bei dem das Verhältnis L/D zwei oder größer ist.
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Die Lochvorrichtung 1 wird beispielsweise zum Lochen eines Einspritzlochs in ein Werkstück 3 des Körpers eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine verwendet, oder zum Vorsehen eines Kraftstoffeinlass-/auslass-Durchlasses für eine Hinterdruckkammer in einem Werkstück 3 einer Platte, welche eine Hinterdruckkammer des Injektors bildet, verwendet. Zu beachten ist, dass das Material des Stempels 2 beispielsweise ein Hartkarbid ist, welches aus Wolframkarbid und einem Bindemittel von Kobalt, welche zusammengemischt und gesintert werden, zusammengesetzt ist.
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Die Lochvorrichtung 1 weist eine lokale Heizeinrichtung 6 zum lokalen Erhitzen eines Teils des Werkstücks 3 in einen Temperaturbereich niedriger als ein Schmelzpunkt des Werkstücks 3, eine Stempel-Antriebseinrichtung 7 zum Antreiben des Stempels 2 in einer Axialrichtung hin zu dem Teil des Werkstücks 3, welcher durch die lokale Heizeinrichtung 6 erhitzt wurde, eine Steuereinrichtung 8 zum Steuern der lokalen Heizeinrichtung 6 und der Stempel-Antriebseinrichtung 7, und eine Werkstück-Halteeinrichtung 9 zum Halten des Werkstücks 3 auf.
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Die Stempel-Antriebseinrichtung 7 setzt sich beispielsweise aus einem Luftzylinder 12, welcher eine Antriebskraft zum Antreiben des Stempels 2 erzeugt, zusammen. Ferner setzt sich die Werkstück-Halteeinrichtung 9 beispielsweise aus einer Stempelführung 13, welche das vordere Ende des Stempels 2 in einer verschiebbaren Art und Weise hält und eine Bewegung des Stempels 2 in der Axialrichtung führt, einen Werkstück-Ablagetisch 14, welcher das Werkstück 3 trägt, einen Werkstückhalter 15, welcher die Stempelführung 13 an dessen innerer Umfangsseite hält, und das Werkstück 3, welches auf dem Werkstück-Ablagetisch 14 getragen wird, niederhält, usw. zusammen.
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Zu beachten ist, dass der Werkstückhalter 15 ebenso beispielsweise als ein Stempelhalter dient, welcher ein hinteres Ende 2a des Stempels 2 in einer verschiebbaren Art und Weise hält. Ferner ist das vordere Ende 2b des Stempels 2, welches durch die Stempelführung 13 geführt wird, gemäß dem Durchmesser des Lochs 4 länglich vorgesehen. Das Loch 4 wird durch das vordere Ende 2b, welches das Werkstück 3 stanzt, gelocht. Ferner ist das hintere Ende 2a größer im Durchmesser als das vordere Ende 2b vorgesehen.
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Die hintere Abschlussfläche der Stempelführung 13 bzw. die vordere Abschlussfläche des hinteren Endes 2a sind in einer kegelförmigen Gestalt vorgesehen, um in Richtung der vorderen Stirnseiten im Durchmesser reduziert zu sein, so dass beispielsweise das hintere Ende 2a mit der Stempelführung 13 zusammenpasst. Darüber hinaus sind der Stempel 2, die Stempelführung 13 und das vordere Ende des Werkstückhalters 15 derart angeordnet, dass sich diese in der Axialrichtung, in dem Zustand, bei dem diese von dem Werkstück 3 hochgezogen sind, an der gleichen Position befinden.
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Die lokale Heizeinrichtung 6 bewirkt, dass ein Teil des Werkstücks 3 lokal erweicht, nicht um zu schmelzen, sonder um lokal die Bildung eines Teils mit einer geringen Deformations-Resistenz zu bewirken. Durch das lokale Bewirken der Bildung eines Teils mit einer geringen Deformations-Resistenz in dem Werkstück 3 wird die Arbeitslast kleiner als die Knicklast des Stempels 2. Hierbei ist die „Arbeitslast“ die Reaktionskraft, welche der Stempel 2 von dem Werkstück 3 während dem Stanzen des Werkstücks 3 nimmt. Falls die Arbeitslast größer als die Knicklast des Stempels 2 ist, wird der Stempel 2 schließlich geknickt. Dadurch wird Erhitzen durch die lokale Heizeinrichtung 6 dazu verwendet, um das Werkstück in einem Umfang zu erweichen, bei dem es nicht schmilzt, um die Deformations-Resistenz zu reduzieren und die Arbeitslast kleiner als die Knicklast des Stempels 2 zu machen.
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Die lokale Heizeinrichtung 6 kann beispielsweise ein Lasergenerator sein (nachfolgend wird angenommen, dass die lokale Heizeinrichtung 6 der Lasergenerator 6 ist). Ein Teil des Werkstücks 3 wird durch einen Laserstrahl, welcher durch den Lasergenerator 6 erzeugt wird, erhitzt und erweicht. Das heißt, der Laserstrahl, welcher durch den Lasergenerator 6 erzeugt wird, passiert einen Lichtwellenleiter 17, um den Laserkopf 18 zu erreichen, wird durch den Laserkopf 18 verdichtet und in Richtung des Werkstücks 3 entlassen, und erhitzt das Werkstück 3, um dieses weich zu machen.
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Hierbei besitzt ein Teil des Werkstücks 3 eine Laserfläche 20, welche der Laserstrahl direkt trifft, und eine Stanzfläche 21, welche an der gegenüberliegenden Seite der Laserfläche 20 positioniert ist und welche das vordere Ende des Stempels 2 trifft. Der Stempel 2 locht das Loch 4 durch Stanzen des Werkstücks 3 von der Stanzfläche 21 in Richtung der Laserfläche 20. Ferner ist der Laserkopf 18 derart angeordnet, dass das vordere Ende der Düse 22 der Laserfläche 20 des Werkstücks 3, welches auf dem Werkstück-Ablagetisch 14 platziert ist, gegenübersteht. Darüber hinaus sind der Laserkopf 18 und der Stempel 2 derart positioniert, dass beispielsweise die Achse des entlassenen Laserstrahls und die axiale Mitte des Stempels 2 koaxial werden.
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Aus diesem Grund wird das Werkstück 3, welches durch den Laserstrahl erhitzt wurde, durch den Stempel 2 gestanzt, ohne an eine andere Position bewegt zu werden, das heißt, während dieses an der gleichen Position verbleibt. Hierbei steigt beispielsweise, wie in 2 gezeigt ist, die Temperatur an der Laserfläche 20 und der Stanzfläche 21, von dem Beginn des Heizens durch den Laserstrahl bis zum Ablauf einer vorbestimmten Zeit nach dem Beenden des Heizens, mit dem Beginn des Heizens stark an, nimmt dann allmählich im Steigungsgradienten ab, fällt schließlich mit dem Ende des Heizens stark ab, und nimmt dann im Abnahmegradienten allmählich ab. Aus diesem Grund nimmt die Deformations-Resistenz, nachdem das Heizen beendet ist, rapide zu und überschreitet schließlich die Knicklast des Stempels 2.
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Dadurch ist es notwendig, falls versucht wird das erhitzte Werkstück 3 zum Stanzen durch den Stempel 2 in eine andere Stellung zu bringen, das Werkstück 3 äußerst schnell und zielsicher zu bewegen. Der Bewegungsvorgang wird dadurch beschwerlich. Entsprechend sind, um zu ermöglichen, dass das erhitzte Werkstück 3 auch ohne Bewegung durch den Stempel 2 gestanzt werden kann, der Stempel 2 und der Laserkopf 18 beispielsweise derart positioniert, dass die axiale Mitte des Stempels 2 und die Achse des entlassenen Laserstrahls koaxial werden.
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Ferner ist der Lasergenerator 6 in Leistung, Frequenz, relativer Einschaltdauer, Heizzeit (Entlassungszeit), Defokussieren (Brennweite) und anderen Heizbedingungen derart eingestellt, dass die Temperatur der Laserfläche 20 niedriger wird als der Schmelzpunkt des Werkstücks 3, und dass die Arbeitslast aufgrund der Erweichung des Werkstücks durch das zugehörige Erhitzen durch den Laserstrahl geringer wird als die Knicklast des Stempels 2.
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Das heißt, während dem Erhitzen durch den Laserstrahl wird die Temperatur des Werkstücks 3 an der Laserfläche 20 am höchsten. Das Werkstück 3 kann an der Laserfläche 20 am einfachsten schmelzen. Dadurch sind die Heizbedingungen durch den Lasergenerator 6 derart eingestellt, dass die Temperatur der Laserfläche 20 geringer wird als der Schmelzpunkt des Werkstücks 3, und dass die Arbeitslast geringer wird als die Knicklast des Stempels 2.
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Zu beachten ist, dass unter dem Gesichtspunkt des Reduzierens des Deformationsbereichs, welcher an der Umgebung eines Lochs 4 mit dem Stanzen auftritt, und zum Reduzieren der für das Erhitzen benötigten Energie, der Heizbereich der Laserfläche 20 vorzugsweise klein ist. Entsprechend wird beispielsweise der Laserspotdurchmesser auf einen Wert in etwa 10 mal dem Durchmesser des Stempels 2 eingestellt.
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Die Steuereinrichtung 8 ist beispielsweise aus einem Mikroprozessor, welcher Steuersignale zum Steuern der Antriebsvorgänge des Lasergenerators 6, der Stempel-Antriebseinrichtung 7, usw., basierend auf Erfassungssignalen, welche von verschiedenen Typen von Sensoren eingegeben werden, ausgibt, zusammengesetzt. Das heißt, die Steuereinrichtung 8 ist aus einer CPU zum Durchführen einer Steuerbearbeitung und einer Betriebsbearbeitung, einem ROM, einem RAM oder anderen Speichervorrichtungen zum Speichern verschiedener Typen von Daten und Programmen, einer Eingangsvorrichtung, einer Ausgangsvorrichtung, usw. zusammengesetzt.
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Ferner steuert die Steuereinrichtung 8 den Lasergenerator 6 und die Stempel-Antriebseinrichtung 7 derart, dass das Stanzen des Werkstücks 3 durch den Stempel 2 beginnt, nachdem der Lasergenerator 6 das Erzeugen des Laserstrahls beendet, und ein Laserstrahl nicht länger die Laserfläche 20 trifft. Das heißt, die Steuervorrichtung 8 steuert den Lasergenerator 6 und die Stempel-Antriebseinrichtung 7 derart, dass der Stempel 2 durch den entlassenen Laserstrahl nicht beschädigt wird, und dass das Stanzen beendet ist, bevor die Deformations-Resistenz die Knicklast des Stempels 2 überschreitet, nachdem das Heizen durch den Laserstrahl beendet wird.
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Das heißt, es gibt eine Zeitverzögerung von dem Zeitpunkt, wenn ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 8 zu der Stempel-Antriebseinrichtung 7 zum Antreiben des Stempels 2 ausgegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Stempel 2 das Werkstück 3 tatsächlich trifft und das Stanzen beginnt. Beispielsweise tritt, wenn die Stempel-Antriebseinrichtung 7 ein Luftzylinder 12 ist, eine Zeitverzögerung aufgrund der Schritte des Ausgebens des Steuersignals, Starten des Aufbringens von Strom auf ein Magnetventil 23 zum Ein-/Ausschalten der Einführung von Hochdruckluft, Starten des Betriebs des Luftzylinders 12 mit der Einführung der Hochdruckluft, und Starten des Stanzens durch den Stempel 2 auf.
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Dadurch ist unter Berücksichtigung dieser Zeitverzögerung beispielsweise eine Zeitüberwachungseinrichtung zum Überwachen der verstrichenen Zeit, von dem Start der Erzeugung des Laserstrahls an, vorgesehen, um der Steuereinrichtung 8 zu ermöglichen, ein Steuersignal zum Antreiben des Stempels 2, eine vorgegebene Zeit bevor die Erzeugung des Laserstrahls beendet ist, auszugeben.
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Das Lochverfahren durch die Lochvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform wird unter Verwendung von Fig. 3A, Fig. 3B, Fig. 3C und 3D erklärt. Das Lochverfahren, welches die Lochvorrichtung 1 verwendet, umfasst einen lokalen Heizschritt zum Verwenden des Lasergenerators 6, um einen Teil des Werkstücks 3 in einen Temperaturbereich niedriger als ein Schmelzpunkt des Werkstücks 3 lokal zu erhitzen, und einen Stanzschritt zum Verwenden der Stempel-Antriebseinrichtung 7, um den Stempel 2 in einer Axialrichtung hin zu dem Teil des Werkstücks 3 anzutreiben, welcher durch den lokalen Heizschritt erhitzt wurde, und den Stempel 2 verwendet, um das Werkstück 3 zu stanzen. Nachstehend wird das Lochverfahren durch die Lochvorrichtung 1, fokussierend auf den lokalen Heizschritt und den Stanzschritt erklärt.
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Zunächst wird das Werkstück 3 vor dem lokalen Heizschritt auf die Werkstück-Halteeinrichtung 9 gesetzt. Das heißt, das Werkstück 3 wird auf dem Werkstück-Ablagetisch 14 platziert (siehe 3A), und dann wird das auf dem Werkstück-Ablagetisch 14 platzierte Werkstück 3 durch den Werkstückhalter 15 niedergehalten (siehe 3B).
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Dann wird der Lasergenerator 6 betätigt, um den lokalen Heizschritt zu starten. Aufgrund dessen wird ein Laserstrahl auf die Laserfläche 20 des Werkstücks 3 entlassen, um einen Laserspot eines vorbestimmten Durchmessers zu bilden (siehe 3B). Ein Teil des Werkstücks 3 wird erhitzt, um zu einem Grad zu erweichen, bei dem dieser nicht schmilzt, so dass bei diesem Teil des Werkstücks 3 die Deformations-Resistenz kleiner wird als die Knicklast des Stempels 2. Ferner beginnt gleichzeitig mit dem Start der Erzeugung des Lasers durch den Lasergenerator 6 die Zeit für den Start des Antreibens des Stempels 2 überwacht zu werden.
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Ferner wird nach dem Verstreichen der durch die Zeitüberwachungseinrichtung eingestellten Zeit ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 8 zu der Stempel-Antriebseinrichtung 7 zum Antreiben des Stempels 2 ausgegeben, und dann wird nach dem Verstreichen der eingestellten Heizzeit die Erzeugung des Laserstrahls durch den Lasergenerator 6 gestoppt. Aufgrund dessen beginnt die einst steigende Temperatur des Werkstücks 3 abzufallen und die Deformations-Resistenz beginnt zuzunehmen.
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Schließlich wird der Stanzschritt gemäß einem Steuersignal zum Antreiben des Stempels 2 gestartet. Das heißt, gemäß dem Ausgang des Steuersignals wird der Stempel 2 in Richtung des Werkstücks 3 angetrieben und das Stanzen beginnt. Zu diesem Zeitpunkt trifft der Laserstrahl nicht länger auf die Laserfläche 20, so dass die Situation, dass der Stempel 2 durch den Laserstrahl getroffen wird, vermieden wird. Ferner wird das Stanzen beendet, bevor das Werkstück 3 zu stark abkühlt, und die Deformations-Resistenz schließlich die Knicklast des Stempels 2 überschreitet (siehe 3C), dann wird der Stempel 2 hochgezogen (siehe 3D).
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Die Lochvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform weist einen Lasergenerator 6, welcher einen Teil des Werkstücks 3 in einen Temperaturbereich niedriger als der Schmelzpunkt des Werkstücks 3 lokal aufheizt, und eine Stempel-Antriebseinrichtung 7, welche den Stempel 2 in der Axialrichtung hin zu dem Teil des Werkstücks 3 antreibt, welcher durch den Laserstrahl erhitzt wurde, auf. Aufgrund dessen ist es möglich zu bewirken, dass das Werkstück 3 lokal erweicht, um die Bildung eines Teils mit einer geringen Deformations-Resistenz lokal zu bewirken, und den Teil mit der geringen Deformations-Resistenz durch den Stempel 2 zu stanzen, so ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass der Stempel 2 knickt, zu reduzieren und auf einfache Weise ein Loch 4 mit einem großen Verhältnis L/D zu lochen.
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Ferner wird der Vorgang des Lochens eines Lochs 4 zum Stanzen unter Verwendung eines Stempels 2 zuzüglich einem lokalen Erhitzen des Werkstücks 3, so wird die Bearbeitungszeit nicht so langwierig und die Produktivität nimmt ebenso nicht ab. Darüber hinaus nimmt die Arbeitsqualität ebenso nicht ab, da Stanzen verwendet wird, um das Loch 4 zu lochen. Aufgrund des Vorstehenden ist es möglich, eine Lochvorrichtung 1 vorzusehen, die das Erreichen von sowohl guter Produktivität als auch Arbeitsqualität ermöglicht, und welche ein Loch 4 mit einem großen Verhältnis L/D lochen kann, während diese die Wahrscheinlichkeit, dass der Stempel 2 knickt, reduziert.
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Ferner ist es möglich, da das Werkstück 3 nicht als Ganzes erhitzt und erweicht wird, sondern lokal erhitzt und erweicht wird, den Deformationsbereich, welcher in der Umgebung des Lochs 4 durch das zugehörige Stanzen auftritt, zu reduzieren, und es ist möglich, die Energie, welche zum Erhitzen benötigt wird, zu reduzieren.
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Darüber hinaus ist gewöhnlich eine Matrize notwendig, wenn Stanzen zum Lochen des Lochs 4 verwendet wird. Es ist notwendig, die Position des Werkstücks 3, bei der das Loch 4 gelocht werden soll, und die Matrize auszurichten, und dann den Stempel 2 zu verwenden, um das Werkstück 3 zu stanzen. Das heißt, es ist notwendig das Werkstück 3 durch die Matrizen-Schnittkanten, welche durch die Peripherkanten des Matrizenlochs ausgebildet sind, gegen die Druckkraft durch den Stempel 2 zu halten, so dass die Matrizen-Schnittkanten Risse in dem Werkstück 3 hervorrufen und das dem Loch 4 entsprechende Material entfernen.
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Im Gegensatz hierzu ist es gemäß der Lochvorrichtung 1 möglich, die Differenz der Deformations-Resistenz, die durch die Temperaturdifferenz hervorgerufen wird, zu verwenden, um das dem Loch 4 entsprechende Material zu entfernen, da das Werkstück 3 lokal erhitzt wird, um zu erweichen. Aus diesem Grund ist es möglich, ohne Verwendung einer Matrize ein Loch 4 in das Werkstück 3 zu lochen, so ist es möglich, wenn es die Gestalt des Werkstücks 3 schwierig macht eine Matrize zu platzieren, ein Loch 4 ohne Anstrengungen die Matrize zu platzieren zu lochen. Ferner ist es möglich, den Heizbereich, die Heiztemperatur und andere Einstellungen an dem Werkstück 3 beliebig zu verändern, da ein Teil des Werkstücks 3 durch den Laser, der durch den Lasergenerator 6 erzeugt wird, erhitzt wird.
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Ferner stellt der Lasergenerator 6 die Heizbedingungen durch den Laser derart ein, dass die Temperatur der Laserfläche 20 niedriger wird als der Schmelzpunkt des Werkstücks 3, und dass die Erweichung des Werkstücks 3 durch das zugehörige Erhitzen bewirkt, dass die Arbeitslast kleiner wird als die Knicklast des Stempels 2. Aufgrund dessen wird es möglich, den Stempel 2 zuverlässig daran zu hindern zu knicken, während das Werkstück 3 davor bewahrt wird zu schmelzen, und die Lochdurchmesserpräzision und die Oberflächeneigenschaften davor bewahrt werden abzunehmen.
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Ferner besitzt die Steuereinrichtung 8 eine Zeitüberwachungseinrichtung zum Überwachen des Zeitverlaufs von dem Beginn der Lasererzeugung an, so dass das Stanzen des Werkstücks 3 durch den Stempel 2 beginnt, nachdem der Lasergenerator 6 die Erzeugung des Laserstrahls beendet und ein Laserstrahl nicht länger die Laserfläche 20 trifft. Aufgrund dessen ist es möglich, den Laserstrahl daran zu hindern den Stempel 2 zu beschädigen, und es ist möglich, das Stanzen durch den Stempel 2 zu beenden, bevor eine Abkühlung nach dem Beenden des Lasererhitzens bewirkt, dass die Deformations-Resistenz ansteigt.
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Die Lochvorrichtung 1 ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Modifikationen können berücksichtigt werden. Beispielsweise wurde in der Lochvorrichtung 1 der vorstehenden Ausführungsform der Lasergenerator 6 als die lokale Heizeinrichtung verwendet, jedoch ist es, wie in 4 gezeigt ist, ebenso möglich, Strom zu einem Teil des Werkstücks 3 zu führen und die Joulesche Wärme zu verwenden, um den Teil des Werkstücks 3 zu erhitzen, um zu erweichen. Das heißt, es ist ebenso möglich, Elektroden 25, 26 und Isolationsmaterialien 27, 28 an dem Werkstück-Ablagetisch 14 und dem Werkstückhalter 15 anzuordnen, die Elektroden 25, 26 zu verwenden, um einen Teil des Werkstücks 3 dazwischen aufzunehmen, und Strom durch den Teil des Werkstücks 3 zu führen, um die Joulesche Wärme zu verwenden, um den Teil des Werkstücks 3 zu erhitzen und zu erweichen.
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Während die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen, welche zum Zwecke der Illustration gewählt wurden, beschrieben wurde, sollte es offensichtlich sein, dass durch den Fachmann zahlreiche Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Ausgangskonzept und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.